CN108344381A - 一种非接触式三维面形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式三维面形测量方法，属于光学检测技术领域，具体涉及一种非接触式检测方法，解决现有非接触测量需将被测点法线方向对准探头从而导致定位精度降低的问题；在泰曼—格林干涉光路基础上引入球壳透镜成功搭建出干涉式光学探头，测量时，通过调整光学探头聚焦在被测件上某一点，测量光束被球壳透镜内表面反射回到光学系统中，测量光束经分束器反射进入CCD图像传感器上与参考光束形成干涉条纹，由位置计量装置记录此时运动机构的位置信息；调整运动机构依次记录聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上其他点的位置信息，通过数据处理可以获得被测件的面形形貌；简化了运动机构，减小了机械定位误差，可测量高陡度元件。

Description

一种非接触式三维面形测量方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种非接触式检测方法。

背景技术

三维面形测量最常用的方法是三坐标测量。三坐标测量技术具有通用性强、自动化程度高、测量精度高等众多优点，在机械、电子等领域得到广泛应用。目前，根据三坐标测量机测头的形式，可将三坐标测量机分为接触式三坐标测量机和非接触式三坐标测量机。非接触式三坐标测量机目前主要有激光点测量和线激光扫描测量两种形式。对于接触式三坐标测量机和非接触式激光点测量三坐标测量机而言，测量过程需要频繁的加速、减速，造成了测量速度较慢，此外由于测头直接与被测件表面接触容易划伤被测件。非接触式的线激光扫描测量在测量时加减速过程较少，可以大幅度的提高测量速度，但是由于线激光测量头的自身误差大于3μm，测时需要调整被测点法线方向对准激光测头，运动机构复杂，使得其测量精度大幅度下降，因此测定的精度并不高。

发明内容

本发明的解决的技术问题是：现有非接触测量需将被测点法线方向对准探头从而导致定位精度降低。

一种非接触式三维面形测量方法，具体技术方案如下：

1).搭建光学探头的步骤：该光学探头由干涉光路组成，所述干涉光路包括光源、准直透镜、分束器、成像透镜、聚焦透镜、平面反射镜、球壳透镜、CCD图像传感器；以光源所在一侧为物方，所述光源发出的光被准直透镜准直后入射到分束器上，经分束器反射的光作为参考光束，参考光被垂直放置的平面反射镜反射后原路返回，再次通过分束器被成像透镜聚焦于CCD图像传感器上；

透射过分束器的光作为测量光束，测量光束经过聚焦透镜后聚焦于聚焦透镜的像方焦点处；所述的球壳透镜内表面设置有半透半反膜，且球壳透镜放置在聚焦透镜与聚焦透镜的像方焦点之间，球壳透镜的球心与聚焦透镜的像方焦点重合；

2).搭建运动机构的步骤：所述运动机构用于调整被测件与光学探头之间相对位置，使聚焦透镜的像方焦点聚焦于被测件表面任意测量点，且该运动机构上设置有位置计量装置，用于记录位置变化量；该运动机构可由两个平移机构和一个旋转机构组成；该运动机构也可以由三个平移机构组成；

3).扫描测量步骤：测量时，通过调整运动机构使聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上某一点，测量光束被球壳透镜内表面反射回到光学系统中，测量光束经分束器反射进入CCD图像传感器上与参考光束形成干涉条纹，由位置计量装置记录此时运动机构的位置信息；调整运动机构依次记录聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上其他点的位置信息，通过数据处理可以获得被测件的面形形貌。

测量工件时，在运动机构的驱动下，光学探头上聚焦透镜的像方焦点轨迹沿着理想光学元件曲线运动，通过竖直方向(Z轴)的平动轴上下扫描，若焦点位置偏离被测点，通过干涉条纹判断聚焦位置与被测点的相对位置，将Z轴向上或向下移动，直至干涉条纹为理想的零级条纹，由位置计量装置记录此测量点的位置信息，依次在被测面上进行面形扫描获得云点坐标，然后进行面形拟合，通过拟合后的面形与工件面形的比较，分析确定其面形误差。

上述技术方案的使用，简化了运动机构，从而可以减小机械定位误差；发射到被测面上的测量光束不论以任何角度反射出去，均可以被球壳透镜反射回原光路；可测量球面偏离较大的元件；测量精度高、速度快。

附图说明

图1为干涉光路示意图；

图2为光学探头测量高陡度被测件上一点示意图；

图3为光学探头测量高陡度被测件上另外一点示意图；

其中：1-光源，2-准直透镜，3-分束器，4-参考光束，5-平面反射镜，6-成像透镜，7-CCD图像传感器，8-测量光束，9-聚焦透镜，10-球壳透镜，11-聚焦透镜的像方焦点，12-被测件，13-小孔光阑。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明，下面结合附图及实施例作进一步描述

实施例一：

一种非接触式三维面形测量方法，附图1所示，具体技术方案如下：

1)..搭建光学探头的步骤：该光学探头由干涉光路组成，所述干涉光路包括光源1、准直透镜2、分束器3、成像透镜8、聚焦透镜9、平面反射镜5、球壳透镜10、CCD图像传感器7；以光源所在一侧为物方，所述光源1发出的光被准直透镜准直后入射到分束器上，经分束器反射的光作为参考光束4，参考光被垂直放置的平面反射镜5反射后原路返回，再次通过分束器3被成像透镜8聚焦于CCD图像传感器7上；

透射过分束器的光作为测量光束8，测量光束经过聚焦透镜9后聚焦于聚焦透镜的像方焦点11处；所述的球壳透镜10内表面设置有半透半反膜，且球壳透镜放置在聚焦透镜与聚焦透镜的像方焦点之间，球壳透镜的球心与聚焦透镜的像方焦点重合；

2).搭建运动机构的步骤：所述运动机构用于调整被测件与干涉光路之间相对位置，使聚焦透镜的像方焦点聚焦于被测件表面任意测量点，且该运动机构上设置有位置计量装置，用于记录位置变化量；该运动机构可由两个平移机构和一个旋转机构组成；该运动机构也可以由三个平移机构组成；

3).扫描测量步骤：测量时，通过调整运动机构使聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上某一点，测量光束被球壳透镜内表面反射回到光学系统中，测量光束经分束器反射进入CCD图像传感器上与参考光束形成干涉条纹，由位置计量装置记录此时运动机构的位置信息；调整运动机构依次记录聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上其他点的位置信息，通过数据处理可以获得被测件的面形形貌。

上述运动机构的控制方式可以有以下几种：

1.上述步骤2中的被测件不动，所述的运动机构用于控制步骤1)的光学探头移动，完成扫面测量。

2.光学探头不动，所述的运动机构用于控制被测件移动，完成扫面测量。

3.所述的运动机构中的一个平移机构用于控制步骤1)搭建的光学探头沿着光轴方向移动，其余两个运动机构控制被测件运动，完成扫面测量。

实施例二：

实施例一技术方案基础上，一种非接触式三维面形测量方法，所述的运动机构由两个平移机构和一个旋转机构组成。所述的两个平移机构相互垂直，其中一个平移机构竖直方向设置(Z轴)，用于调整光学探头和被测件竖直方向的距离；另外一个平移机构(X轴)和旋转机构(θ轴)用于切换被测件与光学探头水平方向相对位置。

测量工件时，光学探头以一定的速度沿工件母线移动，探头聚焦点的轨迹是沿着理想光学元件曲线运动，将整个系统工作平台的旋转轴(θ轴)以及水平方向(X轴)的平动轴定位到被测面的某一点，通过竖直方向(Z轴)的平动轴上下扫描。若焦点位置偏离被测点，将Z轴向上或向下移动，直至干涉条纹为理想的零级条纹，记录此测量点的位置，被测工件的三维数据通过两个平动轴在被测面的某一母线进行检测，由于转动轴的旋转使其在被测面上进行面形扫描。然后对点源数据进行面形拟合，通过拟合后的面形与工件面形的比较，分析确定其面形误差。如图2和图3所示，在测量高陡度被测件时，无需将被测件的探测点法线方向对准光学探头即可完成数据采集。并且用干涉条纹的零条纹作为数据采集位置判断标准，可以进一步提高定位精度。

实施例三：

实施例一技术方案基础上，一种非接触式三维面形测量方法，所述的运动机构由三个平移机构组成。所述的三个平移机构相互垂直，构成三维平移运动机构，其中一个平移机构竖直方向设置，用于调整光学探头和被测件竖直方向的距离，另外两个平移机构用于切换被测件与光学探头水平方向相对位置。三维平移机构结构简单，线性定位更准确。

实施例四：

实施例一技术方案基础上，一种非接触式三维面形测量方法，所述的运动机构上设置的位置计量装置为光栅尺或者锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)位移位置计量装置。

实施例五：

上述实施例技术方案基础上，如图1所示，一种非接触式三维面形测量方法，所述的球壳透镜与聚焦透镜之间还设置有小孔光阑13。该小孔光阑可以有效的过滤杂散光，提高干涉条纹质量。

实施例六：

上述实施例技术方案基础上，一种非接触式三维面形测量方法，测量光束经分束器反射进入CCD图像传感器上与参考光束形成干涉条纹后，将干涉条纹条数调整至零，由位置计量装置记录此时运动机构的位置信息。零条纹作为位置信息采集标准，可进一步减小运动机构定位误差。

实施例七：

上述实施例技术方案基础上，一种非接触式三维面形测量方法，测量光束与参考光束等光程。等光程可以进一步提高定位精度，减小调整误差。

实施例八：

上述实施例技术方案基础上，一种非接触式三维面形测量方法，所述的平面反射镜5与分束器3之间还设置有减光板。减光板可以有效的调整参考光束与测量光束能量比，进一步提高干涉条纹对比度。

本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种非接触式三维面形测量方法，包括以下步骤：

1).搭建光学探头的步骤：该光学探头由干涉光路组成，所述干涉光路包括光源、准直透镜、分束器、成像透镜、聚焦透镜、平面反射镜、球壳透镜、CCD图像传感器；以光源所在一侧为物方，所述光源发出的光被准直透镜准直后入射到分束器上，经分束器反射的光作为参考光束，参考光被垂直放置的平面反射镜反射后原路返回，再次通过分束器被成像透镜聚焦于CCD图像传感器上；

透射过分束器的光作为测量光束，测量光束经过聚焦透镜后聚焦于聚焦透镜的像方焦点处；所述的球壳透镜内表面设置有半透半反膜，且球壳透镜放置在聚焦透镜与聚焦透镜的像方焦点之间，球壳透镜的球心与聚焦透镜的像方焦点重合；

2).搭建运动机构的步骤：所述运动机构用于调整被测件与光学探头之间相对位置，使聚焦透镜的像方焦点聚焦于被测件表面任意测量点，且该运动机构上设置有位置计量装置，用于记录位置变化量；

3).扫描测量步骤：通过调整运动机构使聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上某一点，测量光束被球壳透镜内表面反射回到光学系统中，测量光束经分束器反射进入CCD图像传感器上与参考光束形成干涉条纹，由位置计量装置记录此时运动机构的位置信息；调整运动机构依次记录聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上其他点的位置信息，通过数据处理可以得获得被测件的面形形貌。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：所述的运动机构由两个平移机构和一个旋转机构组成。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：所述的运动机构由三个平移机构组成。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：所述的运动机构上设置的位置计量装置为光栅尺。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：所述的运动机构上设置的位置计量装置为锆钛酸铅压电陶瓷位移位置计量装置。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：被测件不动，所述的运动机构用于控制光学探头移动，完成扫面测量。

7.根据权利要求1-5之一所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：光学探头不动，所述的运动机构用于控制被测件移动，完成扫面测量。

8.根据权利要求1-5之一所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：所述的平面反射镜与分束器之间还设置有减光板。

9.根据权利要求1-5之一所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：所述的球壳透镜与聚焦透镜之间还设置有小孔光阑。

10.根据权利要求1-5之一所述的一种非接触式三维面形测量方法，其特征在于：所述步骤3)的扫描测量步骤中，测量光束经分束器反射进入CCD图像传感器上与参考光束形成干涉条纹后，将干涉条纹条数调整至零，由位置计量装置记录此时运动机构的位置信息。